地下水与孔隙水压力

1、地下水和孔隙水压力地下水和孔隙水压力 2006.9.目目 录录 1 地下水的赋存和静水压力地下水的赋存和静水压力 2 2 渗流、渗透力和渗透破坏渗流、渗透力和渗透破坏 3 超静水压力超静水压力 4 地下水与工程地下水与工程1 地下水的赋存和静水压力地下水的赋存和静水压力1.2 地下水位和水头地下水位和水头 第一层地下水的稳定水位 静水压力为零的位置 不一定是饱和土和非饱和土的分界线 初见水位和稳定水位 潜水面，静水压力为零。 承压水零压面根据压力水头确定。 与潜水水位相同，其水头位置也是静水压力为零的位置。地下水位和水头地下水位和水头 波动决定于补给、排泄的平衡关系 地面水和地下水, 统一的水

2、循环。 补给大于排泄，地下水积累，水位或水头上升； 排泄大于排给，含水层中的水被消耗，水位或水头下降。地下水位和水头地下水位和水头 超采开采静储量，伴随着补排关系的变化，地下分水岭外移，地表水转为地下水。 地下水位低时，地表水转入地下，甚至消失； 减采地下水位升高后，增加静储量，地下分水岭内移，地表水增加，以泉的形式溢出。 地下水位上升，地下水补给地表水，又出现地面泾流。1.2 包气带水和毛细带水包气带水和毛细带水 包气带水包气带水 1）位于地下水位和毛细带以上，大气降水渗入地下的通道； 2）只有一部分孔隙充水，呈非饱和状态； 3）存在基质吸力，孔隙水压力为负值； 4）压力不能用普通方法量测，

3、只能用张力计或基质吸力计量测； 5）渗透系数对于同一类土不是常数，随含水量而变，含水量越低，渗透系数越小，毛细带水毛细带水 1）上升高度与土的颗粒大小、颗粒级配有关，粘性土上升高度较大； 2）随高度增加，含水量降低，由毛细饱和带过渡到非饱和带 3）孔隙水压力为负值； 4）存在毛细滞后现象，3 潜水和承压水潜水和承压水 同一含水层，随空间位置不同，有的地方表现为潜水，有的地方表现为承压水，但静水压力为零压面（潜水水位和承压水水头）仍是连续的。 随着季节的不同，年度的变化以及人为干预，同一含水层的性质可能转化，从潜水转为承压水或从承压水转化为潜水。 层间潜水4 上层滞水上层滞水 局部性和暂时性，无

4、统一的有规律的水位，形不成统一的有一定规模水体， 上层滞水下边存在非饱和带。 不存在侧向地下水体补给，更无下层含水层的越流补给上层滞水上层滞水 工程建设后有时可能不复存在，但也可能使水体扩大，连成大片。 对工程的主要影响是基坑开挖，破坏土钉墙稳定，造成桩间土坍塌 是否存在浮力？视水体与建筑物的相对尺寸和相对位置而定。 5 5 裂隙水和岩溶水裂隙水和岩溶水 水体形状的高度不规则性 水流性质和特殊性 富水性的高度不均匀6 孔隙水压力形式：孔隙水压力形式： 静水压力。静止的地下水只存在静水压力，孔隙水压力就是静水压力。 渗流孔隙水压力。作渗流运动时，除静水压力外，还有沿渗流方向的渗流孔隙水压力，产生

5、渗流力。 超静水压力。由于某种静力或动力作用，在静水压力基础上增长，有非稳定性质，有发生、积累、消散的过程，对土的有效强度影响很大。 负孔隙水压力。存在于非饱和土中。 7 7 静水压力特征静水压力特征 压力的等向性 压力的三角形分布 与土的渗透系数无关 与土的孔隙度无关工 程含水层弱透水层孔隙水中静水压力的传递 砂土、粉土、粘性土 均适用有效应力原理 包括水压力、浮力 密实的硬粘土，是否传递水压力？是否服从达西定律而流动？ 是否作用静水压力？地下结构上是否作用完全的浮力？7. 地下水位升降对岩土工程的影响地下水位升降对岩土工程的影响 地下水位上升的影响：地下水位上升的影响： 降低地基承载力，建

6、筑物附加沉降 增加地下工程防水抗浮设施 产生湿陷、胀胀、溶陷、冻胀 加剧液化势 边坡失稳，老滑坡复活 治泽化、盐碱化、改变环境 地下水位下降的影响地下水位下降的影响 产生地面沉降 诱发地面塌陷 诱发地裂缝 造成海水入侵 造成水源枯竭，水质恶化 2 2 渗流、渗透力和渗透破坏渗流、渗透力和渗透破坏2.1 2.1 流网流网 稳定渗流场的 拉普拉斯方程：为流函数，为势函数 流网性质 (1) 等势线与流线正交； (2) 如各等势线间的差值相等，各流线间的差值相等，则各网格的长宽比相等；流网性质 (3)如研究区总流量为,划分为个流线分道，则每分道流量为 如研究区总水头差为，划分为个等势分格，则每等分格的

7、水头差为 (4) 当a=b时，流经研究区的流量由下式求得： fNqq fNqqdfNNkHq dfNNkHqfNHh fNHh流网性质 (5) 不透水边界，等势线与之垂直，流线与之平行； 等水头边界，流线与之垂直，等水头边界就是等势线； (6) 等势线越密，水力梯度越大；流线越密，流量越大。 (7) 网格越密，水力梯度、流速、流量越大，由渗透造成的孔隙水压力越大，越易产生渗透变形（渗透破坏）； 反之，网格越稀，水流越平稳。 2.2 2.2 越层渗流的水头变化越层渗流的水头变化gPZH22压力水头分布位置水头分布总水头分布图无越流渗透条件下的水头分布示意图含水层弱透水层含水层无越流渗透压力水头分

8、布位置水头分布总水头分布图有越流渗透条件下的水头分布示意图含水层弱透水层含水层压力水头分布位置水头分布总水头分布图下层水头高于上层水头条件下的水头分布示意图含水层弱透水层含水层2.3 渗透力渗透力 地下水在土体流动，受土粒的阻力，对土粒施加渗流力。 渗流力是体积力，量纲与水的重度相同，大小与水力梯度i成正比，方向与水流方向一致iLhjww2.4 渗透破坏渗透破坏 流土流土 向上的渗流力克服了土的向下重力时，土颗粒悬浮，移动，发生流土。 多发生在级配均匀的粉细砂或粉土中， 具有突发性，危险性很大)1)(1(nGsiwcr流土的治理原则 （1）减小或消除水头差； （2）增加渗流途径； （3）在渗流

9、出口处覆盖透水材料，平衡渗流力； （4）用注浆等法改良土性。管涌管涌 渗流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的骨架孔隙中移动流失，孔隙扩大，渗流速度增加，较粗颗粒继续被带走，在土体内形成贯通的水流通道。 管涌在渗流出口处首先发生，逐渐向内部发展，是渐进性破坏。 一般发生在砂砾土中。颗粒大小差别大，缺乏某种粒径，孔隙大且互相连通。防治管涌的原则改变几何条件， 在渗流溢出部位辅设反滤层；改变水力条件，降低水力梯度。 流土与管涌的判别流土与管涌的判别 不均匀系数大于5的不连续级配土， 流土： 管涌， pr25%； 过渡型 25%Pr35% %35rp突涌突涌 坑内承压水上覆不透水的隔水层，在承压水头压力作用

10、下破坏， 静力平衡问题 wmsptF流砂及其他渗流引起的破环流砂及其他渗流引起的破环 常把流砂和流土混为一谈, 实际上流砂的范围更广一些。 流土发生在垂直向上渗流 而流砂可能发生在任何方向。 止水蜼幕的基坑，坑外地下水向下渗流，坑内向上渗流，向下的渗透力增加主动土压力，向上渗透力减少被动土压力。3 超静水压力超静水压力超静水压力的特性超静水压力的特性 受到外力，包括静压加载，冲击荷载、打桩、车辆振动，地震等作用， 由土颗粒承担的压力（有效应力）全部或部分由孔隙水承担，孔隙压力上升、积累，有效应力降低。 随着孔隙水从土中排出，超静水压力消散，直至恢复原来状态。 消散的快慢决定于土的渗透性质和渗流

11、路径的远近。3.2 压缩固结过程中的孔隙水压力压缩固结过程中的孔隙水压力 假定： （1） 土是均质的，各向同性和完全饱和的； （2）土粒和水均不可压缩，土的压缩完全由于孔隙比的改变和孔隙水的排出； （3）附加应力沿水平方向无限均匀分布，土的压缩和渗流是竖向的； （4）渗透固结过程中，土的渗透系数和压缩系数不变，渗透服从达西定律； （5）外荷一次骤然施加，固结过程中保持不变。一维渗透固结解 一维渗透固结过程一维渗透固结过程 超静水压力增长和消散（1）固结沉降是孔隙水压力消散的过程；（2）固结沉降速率决定于土的渗透系数 和排水路径；（3）渗透系数很小的软黏土，不解决排水问题的单纯预压，效果不好；（

12、4）为加速固结沉降，建立排水通道（如砂井），消散孔隙水压力是最有效的措施。3.3 孔隙水压力与土的抗剪强度孔隙水压力与土的抗剪强度（1）砂土孔压消散快，正常加荷速率，强度与加荷速率关系不大。 但迅速发展的大变形，饱和松砂可能静态液化，产生流滑。地震瞬时动荷载松砂液化。（2）粉土和粘性土，加荷初期孔压最高，有效强度最小，最危险， 随时间推移，孔压消散，有效强度提高，安全性提高。渗透性越小，提高越慢。 (3) 慢速加载有利于充分发挥土的强度, 提高安全度。正常固结粘土与超固结粘土的正常固结粘土与超固结粘土的 三轴固结不排水试验三轴固结不排水试验 静态液化静态液化不同密度饱和砂土的固结不排水试验(

13、a)应力遍变关系曲线 (b)孔隙水压力（c）有效应力路径 静态液化 孔隙比大于临界孔隙比的松砂，应变软化，剪缩趋势，随着应变的加大，超静水压力急剧上升，有效应力迅速降低，砂土呈流动状态。 临水松砂的“流滑”就是这种静态液化，3.4 地震液化的孔隙水渗流地震液化的孔隙水渗流 规范公式，解决了普遍性的大问题。 公式是粗糙的，判别成功率只有百分之八十几，有百分之十几是不成功的 数据的代表性十分有限，推广到其他场地有多少可信度 液化仍是世界性难题。 规范公式只考虑了地震烈度、土的密实度、地下水位和所在深度，忽略重要因素： 1微地貌和地质成因，河漫滩、低阶地、古河道最易液化； 2成层条件，夹粘性土有抑制

14、喷水冒砂的作用； 3颗粒级配，粒度均匀的粉细砂最易液化； 4历史上发生过液化的地段最易重复发生， 综合判断。液化原因和宏观标志 在地震动作用下，松砂和密度小的粉土发生剪缩，孔隙水压力急剧增长，不能及时消散，使有效强度丧失 液化对工程的危害表现喷水冒砂和滑移。宏观液化的标志 喷水冒砂与超静水压力渗流有关喷冒的主要危害 (1) 量水土流失，地面和建筑物大幅沉陷，数值无法定量预测； (2) 土变得极不均匀，喷冒孔周围土的结构完全改变，极为松散，标贯锤击数甚至为零。 (3）由于地形、地层、房屋、井、管道等的影响，喷冒孔分布很不均匀，加强了地基的不均匀性。 (4) 模型试验发现，喷冒前地基中有“水夹层”

15、，完全没有强度，远小于土的液化残余强度。液化渗流运动的特点 （1）水来源于震后砂土增密排出的孔隙水， 非稳定流运动。 （2）平原区排泄基准面为地表， 水流方向自下向上。 （3）地下水运动的动力 是超静水压力而非静水压力。 （4）不同深度流速和流量变化的变量运动，流速、流量和水力梯度，越浅越大，地表最大。喷水冒砂原因 （5）水力梯度超过临界值后，砂粒浮在水中，发生渗流液化，砂冒出地面。 （6）随着孔压消散，流速、流量、水力梯度减小, 直至消失，土体重新固结。 喷水冒砂是渗流液化的产物，并非振动液化直接引起，时间在地震发生之后。 本质上是地震的一种次生震害。3.5 压实、强夯、挤土桩的压实、强夯、

16、挤土桩的 孔隙水压力孔隙水压力 “橡皮土效应”， 挤土桩的歪桩，断桩和浮桩严重破坏地基，甚至打桩不如不打桩。 土不能被挤实和压实， 破坏了土的结构强度， 孔隙水压力使土的有效强度大幅度降低，已固结的土又恢复到欠固结状态， 需要很长时间才能恢复原来的强度。建立下列概念： （1）透水性小的饱和软粘性土，不宜压实、夯实、挤密进行地基加固。 （2）透水性小的饱和软粘性土，对桩数多的桩筏基础, 慎用挤土桩。 （3）桩筏基础采用挤土桩时，严格控制桩距，不能过密。 （4）施工时跳打，设置孔压监测点，及时调整施工进程，严格控制孔隙水压力3.6 3.6 非饱和土的负孔隙水压力非饱和土的负孔隙水压力Fredlun

17、d的非饱和土强度准则：后一项也称为“假粘聚力”，s(ua-uw)是基质吸力，随着饱和度增加，吸力减少，使粘聚力减小，抗剪强度下降，基坑失事和滑坡一般在雨后发生 4 地下水与工程地下水与工程 4.1 地下室抗浮水位的确定地下室抗浮水位的确定 主要因素有： 1) 大气降水的季节变化和多年变化； 2) 区域地质和水文地质背景，场地及其附近的地形地质和补排条件； 3) 地下水开采、水库放水、跨流域调水等人为因素； 4) 政府对水资源和水环境的综合调控。抗浮水位的确定抗浮水位的确定 水位上升影响，随工程重要程度和要求严格程度而异。 箱筏基础，结构浮起、倾斜或结构损坏； 柱基和条基，不构成浮力，地下室进水

18、。 不是单纯勘察问题，单纯自然科学问题 与投资决策、发展水平、经济政策有关， 不可预知性很强,需与投资单位、设计单位共同决策。抗浮水位的确定抗浮水位的确定 依靠有经验的专业人员，在掌握充分资料的基础上综合判断。重要工程有时需召开专家会议集体论证。 与地震、洪水等突发性灾害不同，地下水位上升不是突发事件 抗浮水位的确定抗浮水位的确定 北京为例 多年变化 地下水的开采 水库的蓄水放水 南水北调 统一调配4.2多层地下水的抗浮水位多层地下水的抗浮水位 上层滞水的浮力上层滞水的浮力 实际上为“悬”水。粘土层A点水压为0，B点水压也为0。 多层潜水和承压水的浮力 由渗流计算决定 砂土中的浮力只由本层水测

19、管水头决定； 粘土中则与其上层水及下层水之间关系有关 A 地下结构在层（砂土）中, 浮力按静水压力计； B 处于层（粘土）中， 浮力在whl和0之间线性变化； C 在层（砂土）中， 浮力与潜水1无关，按潜水2静水压力分布； d. 处于层（粘土）中， 浮力既与潜水2有关，也与承压水1 有关； e. 处于层（砂土）中时， 浮力只与承压水1有关， 按静水压力pwZw变化。 浮力计算的其他问题浮力计算的其他问题 侧壁摩阻力有利于抗浮 一般只作为安全储备， 饱和软粘土中地下连续墙和沉井，上浮产生负孔压，不明显上浮。但负孔压会逐渐消散，不能用于永久建筑设计 地下室肥槽无粘性土回填，降雨充水, 从自由水面起算的全部浮力。 4.3 4.3 基坑降水基坑降水 一般采用裘布依公式推导出的 潜水完整井、 承压水完整